冷熱水同時(shí)放入冰箱冷凍室，誰會(huì)先結(jié)冰？按常識(shí)判斷，必然是更接近0℃的涼水。但2025年3月《物理評(píng)論快報(bào)》給出實(shí)錘：特定條件下，熱水反而結(jié)冰更快。這并非玄學(xué)，而是真實(shí)的物理規(guī)律，難道我們以往的物理認(rèn)知存在偏差？

一杯冰激凌引發(fā)的“世紀(jì)互懟”

這事兒的源頭，得追溯到半個(gè)多世紀(jì)前的非洲。主角不是什么頂尖科學(xué)家，而是坦桑尼亞一名叫埃拉斯托·姆潘巴的中學(xué)生。

1963年，學(xué)校組織制作冰激凌，標(biāo)準(zhǔn)步驟為：將牛奶加熱、加糖，冷卻至室溫后再放入冰箱冷凍。但當(dāng)時(shí)學(xué)校冰箱空間十分緊張，晚一步就會(huì)沒有位置。姆潘巴看著剛煮沸的熱牛奶，又留意到冰箱內(nèi)僅剩的少量空位，決定不再等待冷卻，直接將熱牛奶放入冰箱搶占空位。

一個(gè)半小時(shí)后，姆潘巴打開冰箱發(fā)現(xiàn)，自己放入的熱牛奶已完全凍結(jié)，而同學(xué)們按規(guī)范冷卻后放入的常溫牛奶，仍處于黏稠的未結(jié)冰狀態(tài)。

姆潘巴當(dāng)場感到困惑，隨即向物理老師請(qǐng)教。但老師直接否定了他的觀察：“這肯定是你的錯(cuò)覺，依據(jù)物理原理，熱水不可能比冷水先結(jié)冰?！?/p>

姆潘巴堅(jiān)持自己的觀察無誤。后來，物理學(xué)家丹尼斯·奧斯本來校訪問，姆潘巴抓住機(jī)會(huì)，在全校師生面前向他提問：“教授，為何熱牛奶與冷牛奶同時(shí)放入冰箱，熱牛奶會(huì)先凍結(jié)？”

全場哄堂大笑，眾人都覺得這個(gè)問題異想天開。但奧斯本教授并未發(fā)笑，反而被這個(gè)奇特的現(xiàn)象引發(fā)了好奇?；氐綄?shí)驗(yàn)室后，他嚴(yán)格按照姆潘巴的描述開展了實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果讓教授大跌眼鏡：熱水有時(shí)候真的比冷水結(jié)冰快！

這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接顛覆了當(dāng)時(shí)的主流認(rèn)知。1969年，奧斯本和姆潘巴聯(lián)名在《物理教育》雜志上發(fā)表了論文，正式把這個(gè)反直覺的現(xiàn)象命名為“姆潘巴效應(yīng)”。從那以后，這個(gè)現(xiàn)象就像一朵揮之不去的烏云，籠罩在熱力學(xué)領(lǐng)域上空。

此后數(shù)十年間，研究者提出了多種假說。有觀點(diǎn)認(rèn)為，熱水蒸發(fā)速度更快，水分減少后自然加速結(jié)冰；也有假說指出，冷水中溶解的氣體更多，這些氣體可能阻礙水分子凝結(jié)成冰；還有研究將原因歸結(jié)于冰箱霜層——熱水放入后會(huì)融化霜層，使容器與冰箱內(nèi)壁接觸更緊密，提升導(dǎo)熱效率，從而加快降溫。

這些解釋看似合理，但核心問題在于，姆潘巴效應(yīng)的重現(xiàn)性極差。眾多科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)驗(yàn)證，結(jié)果時(shí)有時(shí)無，即便姆潘巴與奧斯本本人，后續(xù)也難以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這讓不少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家產(chǎn)生質(zhì)疑：這一現(xiàn)象究竟是真實(shí)的物理規(guī)律，還是實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的偶然結(jié)果？

冰箱里的“幽靈”與消失的溫度

2016年，英國倫敦帝國學(xué)院的亨利·伯里奇與劍橋大學(xué)的保羅·林登，決定厘清這一爭議。他們認(rèn)為直接觀察結(jié)冰過程過于復(fù)雜，轉(zhuǎn)而通過測(cè)量水溫從初始溫度降至0℃的耗時(shí)，探究冷熱水降溫差異的核心原因。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵變量：溫度計(jì)的測(cè)量位置會(huì)直接影響結(jié)果。即便僅移動(dòng)1厘米探頭，數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)顯著差異。當(dāng)溫度計(jì)插入深度一致時(shí)，姆潘巴效應(yīng)便會(huì)消失；而深度存在偏差時(shí)，數(shù)據(jù)則會(huì)顯示熱水降溫更快。

這說明了什么？這說明咱們平時(shí)理解的“一杯水”，在快速冷卻的時(shí)候，根本就不是一個(gè)溫度均勻的整體。

這里要提醒一句，我們?nèi)粘Ｋf的“溫度”，是描述系統(tǒng)平衡狀態(tài)的物理量。靜置許久的水內(nèi)外溫度均勻，水分子運(yùn)動(dòng)遵循固定能量分布，此時(shí)“水溫20℃”的表述才成立。

但將沸水放入零下18℃的冰箱后，水會(huì)處于非平衡態(tài)：杯壁附近的水已開始降溫，中心區(qū)域仍保持高溫，水分子劇烈運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)處于混亂動(dòng)蕩狀態(tài)。這種情況下，無法為整杯水定義統(tǒng)一的溫度。

物理學(xué)中的“弛豫”，指系統(tǒng)從混亂的非平衡態(tài)逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定平衡態(tài)的過程。這一過程中，經(jīng)典的牛頓冷卻定律不再適用。

由于人類對(duì)非平衡態(tài)熱力學(xué)的認(rèn)知尚淺，熱水在冰箱內(nèi)的具體變化過程如同黑箱。冷水降溫遵循穩(wěn)定的線性規(guī)律，而熱水雖初始能量高、狀態(tài)不穩(wěn)定，卻可能通過更高效的路徑完成降溫。

正是因?yàn)檫@個(gè)“非平衡態(tài)”太復(fù)雜，導(dǎo)致之前的很多實(shí)驗(yàn)都像是在盲人摸象。直到近幾年，科學(xué)家們才開始真正摸到了門道，逐漸揭開了這個(gè)現(xiàn)象的神秘面紗。

粒子世界的“量子捷徑”

冷水系統(tǒng)的粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律穩(wěn)定，如同沿固定路線下山的登山者，速度緩慢但平穩(wěn)；熱水系統(tǒng)的粒子因能量更高，可探索更多運(yùn)動(dòng)路徑，更易找到高效降溫的“捷徑”，從而比冷水粒子更快完成冷卻。這一發(fā)現(xiàn)從理論層面證實(shí)，姆潘巴效應(yīng)并非偶然，而是存在內(nèi)在物理邏輯。

這個(gè)理論在2020年得到了更有力的證實(shí)。有研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文，他們沒用實(shí)際的水，而是用激光造出了一個(gè)W形的能量陷阱，里面放上玻璃珠來模擬水分子的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)極具巧思：W形陷阱的兩個(gè)“山谷”分別對(duì)應(yīng)結(jié)冰后的穩(wěn)定態(tài)（深坑）與未結(jié)冰的亞穩(wěn)態(tài)（淺坑）。研究人員通過觀察玻璃珠在兩坑的停留時(shí)間比例判斷冷卻完成度——當(dāng)玻璃珠80%的時(shí)間停留在深坑、20%在淺坑時(shí)，即認(rèn)定冷卻完成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將玻璃珠置于更高能量位置（模擬熱水），在參數(shù)適配的情況下，其進(jìn)入深坑（穩(wěn)定態(tài)）的速度顯著快于低能量位置的玻璃珠（模擬冷水）。這種速度差異有時(shí)極為顯著，被科學(xué)家定義為“強(qiáng)姆潘巴效應(yīng)”。

2025年3月，這一現(xiàn)象終于得到數(shù)學(xué)層面的嚴(yán)格證明。研究人員引入“熱優(yōu)超理論”，其核心邏輯并不復(fù)雜：傳統(tǒng)對(duì)比冷熱水降溫速度的核心是溫度數(shù)值，而熱優(yōu)超理論聚焦于系統(tǒng)能量分布的“混亂排序”差異。

研究表明，非平衡態(tài)下，熱水系統(tǒng)的能量分布雖更混亂，但在冷卻過程中可能具備數(shù)學(xué)層面的優(yōu)勢(shì)。

只要滿足特定條件，熱水系統(tǒng)就能在能量景觀中找到高效降溫的捷徑。這就如同游戲場景中，冷水系統(tǒng)需按常規(guī)流程逐步冷卻，而熱水系統(tǒng)因初始能量充足，可觸發(fā)高效冷卻的“隱藏機(jī)制”。

這篇最新論文徹底證實(shí)，姆潘巴效應(yīng)并非測(cè)量誤差或偶然現(xiàn)象，而是非平衡態(tài)熱力學(xué)中真實(shí)存在的物理機(jī)制。

家用冰箱中難以穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，是因?yàn)槭艿剿獙雍穸取⑷萜餍螤?、水質(zhì)雜質(zhì)等多種干擾因素影響。但從物理底層邏輯來看，熱水確實(shí)存在“優(yōu)先結(jié)冰”的可能。

總結(jié)下來的話，這個(gè)困擾科學(xué)界60年的謎題，終于從中學(xué)的偶然觀察，升格為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢矶?。它也印證了微觀世界的規(guī)律，遠(yuǎn)比我們直觀認(rèn)知的更為復(fù)雜奇妙。